一种具有孔隙梯度的金属空心球复合材料的制作方法

本发明涉及一种金属空心球复合材料，具体涉及一种具有孔隙梯度的金属空心球复合材料，属于多功能梯度复合材料设计与制备技术领域。

背景技术：

金属泡沫材料因其具有特殊的孔洞结构，使其具有轻质高强、耐冲击、减隔振、隔热、屏蔽辐射等一系列优异的特性，广泛应用于航空航天、舰船、车辆制造和核工业等相关领域。现有的金属泡沫大部分是由开孔和闭孔混合而成，且孔隙尺寸及分布均匀性难以控制，从而导致金属泡沫的性能存在较大的不确定性。现有研究表明，金属泡沫材料的性能均是依赖于材料内部的多孔结构。金属空心球复合材料的出现，可有效解决传统金属泡沫材料中的系列局限性，这主要是因为金属空心球复合材料是一种由毫米级金属空心球及异种金属基体通过铸造、粉末冶金等方法结合而成的特殊金属泡沫，在制备过程中，可通过对金属空心球在复合材料中的排列方式设计，以及改变金属空心球尺寸大小，实现空心球复合材料中孔隙尺寸大小和分布的可控、可设计，进而以实现多功能的金属空心球复合材料性能的定向性设计。相比于传统的金属泡沫，具有了更为优异的力学性能和物理性能，如良好的吸能特性以及隔热、屏蔽、吸声、阻尼等。

技术实现要素：

本发明为了改善复合材料的性能而提供了一种具有孔隙梯度的金属空心球复合材料。

本发明是这样实现的：

一种具有孔隙梯度的金属空心球复合材料，以具有两种不同直径范围的金属空心球和金属基体为原材料，通过将金属空心球在模具中有序排布，通过压力铸造方法，获得的具有孔隙梯度的金属空心球复合材料。

所述金属空心球的直径范围为1-10mm；

所述金属空心球以1mm为梯度进行分类，大直径金属空心球的直径大于小直径金属空心球两个梯度；

所述金属空心球的材质为不锈钢或钛合金；

所述金属基体的材质为铝合金或钢；基体金属材料的熔点低于金属空心球材料的熔点；

所述金属空心球在模具中有序排布，大直径金属空心球叠放于小直径金属空心球之上；

所述压力铸造方法具体为：将金属基体铸锭放置于有序排列的金属空心球之上，在其上放置一压头；将模具放入加热装置中，升温至基体合金熔点之上、金属空心球熔点之下的某一温度并进行保温；当温度升至熔点以上时，对压头持续施加一定压力；随着压力的不断增加，剩余的金属熔体从压头与模具的缝隙中挤出，至不能向下继续施压时停止；将模具从加热设备中取出，降温，静置；待温度降至室温后，取出复合材料；

所述加热装置为井式加热炉。

本发明有益效果：

本发明对不同尺寸范围的金属空心球进行结构预设计，通过压力铸造等方法实现复合材料的成形，形成具有孔隙梯度的金属空心球复合材料，从而改善复合材料的性能。

本发明在金属空心球复合材料中，金属空心球作为造孔剂，其尺寸大小直接影响复合材料中的孔隙大小。选用不同直径范围的两种金属空心球作为造孔剂，可以获得具有两种孔隙大小的金属空心球复合材料。

本发明将金属空心球按照小球在下、大球在上的顺序，沿铸造(重力)方向进行排列，获得小直径金属空心球在模具下部、大直径金属空心球在模具上部的金属空心球结构。该种排布方式能够在基体中形成两种孔隙，且空心球位置能够得到保持，混乱度较低；并且由于沿铸造(重力)方向排布，该种结构能够在铸造过程中得到保持，获得具有孔隙梯度的金属空心球复合材料。

本发明选用压力铸造的方法，使基体金属熔体向金属空心球结构中充分渗入和流动，有利于复合材料成品中的金属空心球和基体保持良好结合，减少缺陷。

附图说明

图1为本发明中的具有孔隙梯度的金属空心球复合材料及其制备示意图，其中：1是压头；2是模具；3是金属基体(铸锭)；4是金属丝网；5是大直径金属空心球；6是小直径金属空心球。

图2为本发明实施例1中获得的具有梯度孔隙的金属空心球复合材料。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施案例，对本发明进行详细说明。

一种具有孔隙梯度的金属空心球复合材料，以具有两种不同直径范围的金属空心球和金属基体为原材料，通过将金属空心球在模具中有序排布，采用压力铸造方法，获得的具有孔隙梯度的金属空心球复合材料。

上述的金属空心球具有如下特征：

(1)所用金属空心球的直径范围为1-10mm；

(2)金属空心球以1mm为梯度进行分类。大直径金属空心球的直径需大于小直径金属空心球两个梯度；

(3)金属空心球的材质为不锈钢、钛合金等金属。

上述的金属基体具有如下特征：

(1)铝合金、钢等常见金属；

(2)基体金属材料的熔点低于金属空心球材料的熔点。

小直径金属空心球位于模具下部，大直径金属空心球叠放于小直径金属空心球之上、位于模具上部。

具体的制备方法如下：

将金属基体铸锭放置于有序排列的金属空心球之上，在其上放置一压头；将模具放入加热装置中，升温至基体合金熔点之上、金属空心球熔点之下的某一温度并进行保温；当温度升至熔点以上时，对压头持续施加一定压力；随着压力的不断增加，剩余的金属熔体从压头与模具的缝隙中挤出，至不能向下继续施压时停止；将模具从加热设备中取出，降温，静置；待温度降至室温后，取出复合材料。

加热设备为井式加热炉等加热装置。

实施例1

步骤一，装填原材料。将300颗直径范围为1-2mm的316l不锈钢空心球和200颗直径范围为5-6mm的316l不锈钢空心球用酒精分别在超声波清洗10min，去除表面污渍。先将1-2mm的316l不锈钢空心球装填进入圆柱形石墨模具底部，在其上放置5-6mm的316l不锈钢空心球，在其上部固定不锈钢金属丝网，将a356合金铸锭放在不锈钢丝网上部。在合金铸锭上放置石墨压头。

步骤二，制备具有梯度结构的金属空心球复合材料。将装填好原材料的模具放置入井式炉中进行加热。升温至700℃并对压头施加压力，使压头向下运动至不能继续向下运动。在该状态下保温45分钟后，取出模具。空气冷却至室温，取出样品。

实施例2

步骤一，装填原材料。将300颗直径范围为1-2mm的316l不锈钢空心球和100颗直径范围为8-9mm的316l不锈钢空心球用酒精分别在超声波清洗10min，去除表面污渍。先将1-2mm的316l不锈钢空心球装填进入圆柱形石墨模具底部，在其上放置8-9mm的316l不锈钢空心球，在其上部固定不锈钢金属丝网，将7075合金铸锭放在不锈钢丝网上部。在合金铸锭上放置石墨压头。

步骤二，制备具有梯度结构的金属空心球复合材料。将装填好原材料的模具放置入井式炉中进行加热。升温至700℃并对压头施加压力，使压头向下运动至不能继续向下运动。在该状态下保温45分钟后，取出模具。空气冷却至室温，取出样品。

实施例3

步骤一，装填原材料。将200颗直径范围为4-5mm的304不锈钢空心球和100颗直径范围为9-10mm的304不锈钢空心球分别用酒精在超声波清洗10min，去除表面污渍。先将4-5mm的304不锈钢空心球装填进入圆柱形石墨模具底部，在其上放置9-10mm的304不锈钢空心球，在其上部固定不锈钢金属丝网，将1100纯铝铸锭放在不锈钢丝网上部。在合金铸锭上放置石墨压头。

步骤二，制备具有梯度结构的金属空心球复合材料。将装填好原材料的模具放置入井式炉中进行加热。升温至720℃并对压头施加压力，使压头向下运动至不能继续向下运动。在该状态下保温30分钟后，取出模具。空气冷却至室温，取出样品。

实施例4

步骤一，装填原材料。将100颗直径范围为1-2mm的tc4钛合金空心球和50颗直径范围为4-5mm的tc4钛合金空心球分别用酒精在超声波清洗10min，去除表面污渍。先将1-2mm的tc4钛合金空心球装填进入圆柱形石墨模具底部，在其上放置4-5mm的tc4钛合金空心球，在其上部固定不锈钢金属丝网，将1100纯铝铸锭放在不锈钢丝网上部。在合金铸锭上放置石墨压头。

步骤二，制备具有梯度结构的金属空心球复合材料。将装填好原材料的模具放置入井式炉中进行加热。将模具加热至720℃并对压头施加压力，使压头向下运动至不能继续向下运动。在该状态下保温10分钟后，取出模具。空气冷却至室温，取出样品。

综上所述：本发明提供的是一种具有孔隙梯度的金属空心球复合材料。将直径范围为1-10mm的金属空心球直径以1mm为单位进行筛分。以小直径金属空心球在下、大直径金属空心球在上的方式在模具中堆叠形成金属空心球结构。在其上放置金属丝网，在丝网上放置金属基体铸锭和压头。将模具放入加热装置中加热至基体合金熔点以上，对压头施加一定压力，以使金属熔体充分流入空心球结构中与金属空心球形成良好结合。制备成具有孔隙梯度的金属空心球复合材料。通过对金属空心球进行排列和设计，实现孔隙在金属空心球复合材料内的梯度分布，从而改善复合材料的性能。